Die Expedition ARCTIC '96 des FS "Polarstern" (ARK XII) mit der Arctic Climate System Study ...

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Die Expedition ARCTIC '96
des FS "Polarstern" (ARK XII)
mit der Arctic Climate System Study (ACSYS)
The expedition ARCTIC '96
of RV "Polarstern" (ARK XII)
with the Arctic Climate System Study (ACSYS)
Ernst Augstein and Cruise Participants
Ber. Polarforsch. 234 (19 97)
-
ISSN 0176 5027

Contents I Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary and Itinerary
Research Programmes
Physical and Chemical Oceanography
Introduction
Methods and First Result of Temperature, Salinity
and Oxygen Measurements
Nutrients
Carbonate System
Chloroflourocarbons
Tritium, Helium and 180
Inorganic Minor Element Tracers
Volatile Halogenated Organic Compounds
Dissolved Organic Matter
Physical and Chemical Speciation of Plutonium
(and Americum) in the Arctic Water Column
Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)
Shipborne ADCP
Optics
Ocean Moorings
Oceanographic I Meteorological Buoys
The Atmospheric Boundary Layer
Sea Ice Physics and Biology
Visual Ice Observations
On Ice Measurements
Laser Altimeter
Ice and Snow Thickness
Ridge Sail Profiles
Trafficability
Sea Ice Remote Sensing
Biological and Physical Sea Ice Properties
Marine Biology
Phyto- and Zooplankton Ecology and
Vertical Particle Flux
Biomass Distribution
Taxonomy and Spatial Distribution
of the Microplanktonic Community
Epipelagic Community
Meso- and Bathypelagic Communities
Station List
Participating Institutions
Participants
Ship's Crew
ARCTIC '96
Cruise Report 1 Fahrtbericht
1. Zusammenfassung
Die Expedition ARCTIC '96 wurde von zwei Forschungsschiffen, der deutschen
POLARSTERN und der schwedischen ODEN unter Beteiligung von
Wissenschaftlern und Technikern aus Deutschland, Finnland, Großbritannien
Irland, Kanada, Norwegen, RußlandS chweden und den Vereinigten Staaten von
Amerika durchgeführtD as gemeinsam entworfene multidisziplinär Forschungs-
Programm wurde unter Berücksichtigun der spezifischen zeitlichen und
logistischen Anforderungen der einzelnen Arbeitsgruppen unter den beiden
Schiffen passend aufgeteilt. Demgemä bildeten auf der ODEN die geologischen,
geophysikalischen und luftchemischen Arbeiten sowie die Eisfernerkundung das
Schwergewicht, währen auf der POLARSTERN vorrangig Messungen zur
physikalischen, chemischen und biologischen Ozeanographie, Atmosphärenphysi
und der Erforschung des Meereises vorgenommen wurden.
Die physikalischen Projekte auf der POLARSTERN dienten überwiegend er Un-
terstützun der Arctic Climate System Study (ACSYS) des Weltklimaforschungs-
Programms, die auf die Erforschung der vorherrschenden ozeanischen,
atmosphärischen kryosphärische und hydrologischen Prozesse der Arktisregion
ausgerichtet ist. Dabei soll der Beschreibung und numerischen Modellierung der
Zirkulation, Wassermassenmodifikation sowie der Transporte von Energie und
Stoffen im Nordpolarmeer einschließlic seiner Randmeere besondere
Aufmerksamkeit gewidmet werden. Im Hinblick auf diese Ziele wurden auf
POLARSTERN Messungen durchgefühur m
die hydrographischen Strukturen des Ozeans auf der Schnittlinie von Franz-
Joseph-Land nach Severnaya Zemlya zu erfassen und den Wassermassen-
austausch zwischen den flachen sibirisch-europäische Schelfmeeren und dem
tiefen Nordpolarmeer durch den St. Anna- und den Voronin-Trog abzuschätzen
die Ozeanzirkulation in dem Nansen- und Amundsen-Becken quantitativ zu
beschreiben unter besonderer Beachtung der topographischen Einflüss des
Lomonossow Rückenu nd anderer Bodenstrukturen.
die zeitlichen Variationen der Strömunge entlang des Kontinentalabhangs und
übed em Lomonossow Rücke sowie der mit ihnen verknüpfteW ärme und
Salztransporte festzustellen.
den atmosphärische Antrieb des Meereises bei verschiedenen großräumig
Luftströmunge zu bestimmen.
statistisch signifikante Aussagen übed ie Dicke und die Morphologie des
Meereises in verschiedenen Regionen des Nordpolarmeeres zu ermöglichen
Neben diesen auf die ACSYS bezogenen Arbeiten wurden Beobachtungen zum
Studium der Meereislebewesen, der regionalen Verteilung des Phyto- und
Zooplanktons und die Analyse bedeutsamer chemischer Prozesse in
unterschiedlichen Zirkulationsäste des Nordpolarmeeres vorgenommen. Zu
diesem Zweck wurden Messungen vom Schiff aus, mit Hilfe von Hubschraubern
und auf dem Meereis mit verschiedenen teilweise neu entwickelten Instrumenten
durchgeführDt ie physikalischen und chemischen Daten dienen unter anderem
auch der Uberprüfun und Verbesserung von Ozean-, Meereis- und
Klimamodellen.
An Bord der POLARSTERN befanden sich 43 Seeleute, ein russischer Eislotse und
53 Wissenschaftler und Techniker aus Deutschland (29), Schweden (7),
Rußlan (6), USA (5), Kanada (3), Finnland (I), Irland (1) und Großbritannie (I),
Das Meßprogram wurde von multinationalen Arbeitsgruppen durchgeführtd ie
späte auch die Datenaufbereitung und wissenschaftliche Bewertung der
Ergebnisse gemeinsam vornehmen werden. Die Zusammenarbeit zwischen der
ODEN und der POLARSTERN währen der Expedition bezog sich im wesentlichen
auf logistische Unterstützung Währen zweier Treffen auf See fand ein
Personalaustausch statt und es wurden Instrumente und Treibstoff umgeladen. Zur
gegenseitigen Information übed en Arbeitsablauf, die Wetter- und Eisverhältniss
wurden täglic Funkgespräch zwischen den wissenschaftlichen Leitern und den
Kapitäne beider Schiffe geführt
POLARSTERN lief am Freitag, den 12. Juli 1996 aus Bremerhaven aus und
erreichte nach einer ruhigen Seereise am 19. Juli den russischen Hafen
Murmansk, wo sich 7 russische und ein finnischer Wissenschaftler sowie
2 Eislotsen einschifften. Repräsentante der Behörde und wissenschaftlichen
Einrichtungen der Stadt besuchten am Nachmittag des 19. Juli das Schiff anläßli
eines kleinen Empfangs. Am 20. Juli verlieà POLARSTERN Murmansk mit dem Ziel
Karasee. Außerhal der 12-Meilenzone wurde noch einmal Treibstoff von einem
Tankschiff übernommen um fü den langen Aufenthalt im eisbedeckten
Nordpolarmeer gut gerüstez u sein. Die Packeisgrenze wurde am 23. Juli bei 78ON
überquerte inen halben Tag vor dem ersten Treffen mit der ODEN, die bereits
einige Tage in der Barentssee Messungen durchgeführh atte. Währen die Schiffe
fü einige Stunden zusammen drifteten wechselten ein Eislotse und ein
Wissenschaftler von der POLARSTERN zur ODEN währen der füb eide Schiffe
zuständig russische Beobachter in umgekehrter Richtung zur POLARSTERN
überstiegF erner wurden der ODEN einige aus Deutschland mitgeführt Gerät
übergeben
Nach einigen Stunden Fahrt im Konvoi trennten sich die Schiffe am 24. Juli 1996,
indem die ODEN ihren nordwärtige Kurs zum Lomonossow-Rückef ortsetzte und
POLARSTERN nach Osten steuerte, um das Meßprogram mit einem zonalen
hydrographischen Schnitt zwischen Franz-Joseph-Land und Severnaya Zemlya
aufzunehmen (Figure 1). Dort wurden mit einer CTD (conductivity, temperature,
depth) - Sonde, einem Wasserschöpfsyste und einem ADCP (acoustic doppler
current profiler) der thermohaline Aufbau und mit Einschränkunge das
Strömungsfel auf einer Schnittfläch durch den St. Anna- und Voronin-Trog in
relativ dichten Abstände erfaßt Ferner wurden Wasserproben zur Bestimmung
ozeanischer Spurenstoffe, radioaktiver Isotope und verschiedener Nährstoff
geschöpf sowie Planktonnetzfäng vorgenommen. Länger Meßstatione wurden
- wie währen der gesamten Reise im Eis - füu mfangreiche Meereisbeprobungen
genutzt, um an Bord oder späte in den Heimatlabors physikalische, chemische und
biologische Analysen durchzuführen Insbesondere konnten auf längere
Traversen übeg roß Schollen mit einem neuen Meßsyste statistisch signifikante
Eisdickenverteilungen registriert werden und Eisrücke detailliert vermessen
werden. Schließlic dienten die von einem Hubschrauber getragene
Turbulenzsonde HELIPOD und ein am Bugkran befestigter mit 5 Turbulenzsonden
ausgerüsteteP rofilmast zur Erfassung der vertikalen turbulenten Impuls-, Wärme
und Wasserdampftransporte. Hubschrauberflüg in verschiedenen Höhe konnten
auch zur Bestimmung von Vertikalprofilen der turbulenten Flüss und deren
spektralen Verteilung bis zum Oberrand der atmosphärische Grenzschicht genutzt
werden.
Auf dem Wege nach Severnaya-Zemlya nahm die Eiskonzentration ständi zu und
behinderte schließlic das Fortkommen des Schiffes so stark, da POLARSTERN
etwa 30 sm nach Norden ausweichen mußteu m den östliche Kurs übed ie Trög
am 1. August 1996 bei 82ON 1 90° vollenden zu können Nach Ausbringen er
ersten automatischen meteorologischen Driftboje wurden zunächs der
Kontinentalabhang und dann das Nansen Becken, der Mittelozeanische Rücke
und das Amundsen Becken in nordöstliche Richtung überquertD abei wurde das
auf der Zonaltraverse begonnene Meßprogram im wesentlichen in gleichartiger
Weise fortgesetzt. Auf dem Weg nach Norden nahm die Eiskonzentration
unerwartet deutlich ab, so da POLARSTERN auf den Fahrtstrecken zwischen den
ozeanographischen Stationen in breiten Rinnen bisweilen Geschwindigkeiten bis
zu 12 kn erreichte. Dadurch wurden nicht nur die Zeitverluste des ersten
Abschnittes schnell aufgeholt sondern auch eine Erweiterung des Meßprogramm
vor allem an den Flanken der Tiefseerücke ermöglicht Dabei wurde U. a.
gefunden, da der Mittelozeanische Rücke zwischen dem Nansen- und
Amundsen-Becken zumindest auf der POLARSTERN-Route in den Echolot-
messungen - im Gegensatz zu der uns verfügbareS eekarte - nicht in Erscheinung
trat.
Wegen der günstige Eisverhältniss erreichte POLARSTERN die Bohrposition der
ODEN auf dem Lomonossow-Rücke drei Tage frühea ls geplant, so da die
zweite Begegnung beider Schiffe auf den 11 ./12. August vorverlegt wurde.
Aufgrund der besonders günstige Eislage einigten sich Wissenschaftler und
Kapitän darauf, die Aufnahme von drei Verankerungen am Nordrand der Laptev-
See der POLARSTERN allein zu überlasse und die Fahrtroute der ODEN durch
Verlagerung des Arbeitsgebiets nach Norden abzuändern Zur Vermeidung von
Treibstoffengpässe wurde Schiffsdiesel von der ODEN zur POLARSTERN und
Hubschraubertreibstoff in umgekehrter Richtung transferiert. Der russische
Beobachter nutzte das Treffen, um wieder auf die ODEN zurückzukehrenn achdem
er einen russischen Wissenschaftler beauftragt hatte, die Beobachterfunktion auf
POLARSTERN zu übernehmen POLARSTERN setzte am 12. August den
hydrographischen Schnitt vom Amundsen-Becken übed en Lomonossow-Rücke
fort und erreichte am 15. August das Makarov-Becken.
Die anschließend Marschfahrt nach Süde war wieder durch breite Rinnen
begünstigts o da die gewonnene Zeit füe in erweitertes Meßprogram auf der
südlichere Traverse übed en Lomonossow-Rücke genutzt werden konnte. Im
Amundsen-Becken wurde ein Meßnet von meteorologischen und
ozeanographischen automatischen Driftstationen auf dem Meereis ausgelegt, das
übee ine länger Zeit den atmosphärische Antrieb und die ozeanischen Größ
in der oberen Wassersäul im Zentrum des Transpolaren Eisdriftstroms messen
soll. Auf der Strecke zu den drei Verankerungen in der Umgebung des
Kontinentalhanges und des südliche Lomonossow-Rückenv erdichtete sich die
Eiskonzentration so stark, da die hydrographischen Messungen im nördliche
Verankerungsgebiet sogar teilweise reduziert werden mußten Trotz der
ungünstige Eisbedingungen gelang es, alle drei Verankerungssysteme in
verhältnismäÃk urzer Zeit sicher zu bergen. Dieser Erfolg beruht zum einen auf
der guten technischen Konzeption der Verankerungen und zum anderen auf dem
geschickten Handeln der erfahrenen Schiffsführun und der verantwortlichen
Wissenschaftler und Techniker. Der Zeitgewinn beim Bergen der Verankerungen
ging zumindest in Teilen durch weiter anhaltende Fahrtverzögerunge im Preßei
wieder verloren. Neben kürzereZ wangsstillstände blieb POLARSTERN einmal
14 Stunden zwischen zusammengepreßte Schollen stecken.
Glücklicherweisw ar die Region gerade zu dieser Zeit wolkenarm, so da den an
Bord empfangenen Satellitenbildern nützlich Informationen übed ie Eisverteilung
entnommen werden konnten. Danach hatten sich um 100 km lange Rinnen in
Fahrtrichtung des Schiffes gebildet, die ein leichtes Vorankommen durch das im
übriges tark gepreßt Eis versprachen. Hubschraubererkundungsflügb estätigte
diesen Befund, so da POLARSTERN nach zunächs aufwendigem Rammen
innerhalb von zwei Tagen die Eisrandzone erreichen konnte. Hier stand wieder
ausreichend Zeit fü umfassende Messungen aller Disziplinen zur Verfügung
Insbesondere wurden die biologischen Beprobungen verdichtet und die
Untersuchungen zur atmosphärische Grenzschichtturbulenz ausgedehnt.
Nach Abschluà des gesamten Meßprogramm am 5. September 1996 verlieÃ
POLARSTERN das Meereis und lief in der nahezu eisfreien Laptevsee westwärt in
Richtung Vilkitskystraße Dort wurde auf einer kleinen Insel ein vor einem Jahr
angelegtes Meßfel auf dem Festeis mit einem Hubschrauber besucht, um
Informationen übeS chmelz- und Gefrierprozesse zu gewinnen.
Der Weg durch die Vilkitskystraße die Karasee und die Barentssee bis nach
Murmansk war in diesem Jahr eisfrei und erlaubte wiederum einen Zeitgewinn, der
einer wünschenswerte Verlängerun der Umrüstzedi es Schiffes in Bremerhaven
zugute kam. Währen eines kurzen Hafenaufenthaltes in Murmansk am 15.116.
September verließe ein finnischer und sechs russische Wissenschaftler sowie der
Eislotse das Schiff, das dann die Reise durch die Barentssee, die Norwegische
See und die Nordsee heimwärt fortsetzte. Am 23. September lief POLARSTERN in
Bremerhaven ein, wo sich im Laufe des Tages alle Wissenschaftler und Techniker
ausschifften.
2. Summary and Itinerary
The multinational expedition ARCTIC '96 was carried out jointly by two ships, the
German RV POLARSTERN and the Swedish RV ODEN. The research programme
was developed by scientists from British, Canadian, Finish, German, Irish,
Norwegian, Russian, Swedish and US American research institutions and
universities.The multidisciplinary field programme was shared between the two
ships On the basis of their specific technical capabilities. Thus, the work On the
ODEN concentrated on geology, geophysics, air chemistry and sea ice remote
sensing while the investigations on POLARSTERN were devoted to physical,
chemical and biological oceanography, sea ice physics and biology as well as to
the atmospheric boundary layer.
The physical programme on POLARSTERN was primarily designed to foster the
Arctic Climate System Study (ACSYS) in the framework of the World Climate
Research Programme (WCRP). Investigations during the recent years have
provided substantial evidence that the Arctic Ocean and the adjacent shelf seas
play a significant role in the thermohaline oceanic circulation and may therefore
have a distinct influence on global climate. Consequently the main ACSYS goals
are concerned with studies of the governing oceanic, atmospheric and hydrological
processes in the entire Arctic region. Among those the description and modelling of
the circulation, the water mass modification as well as the energy and matter
transports in the Arctic Ocean are of high importance. On POLARSTERN
measurements were conducted in this respect to
- specify hydrographic structures on the transect from Franz Joseph Land to
Severnaya Zemlya which will enable one to determine the water mass
exchanges between the shelf seas and the deep Arctic basins via the St. Anna
and Voronin Troughs ,
-
describe the circulation within the Nansen and Amundsen Basins as well as to
detect the topographic influence of the Lomonosov Ridge on the water mass
spreading across the basins,
- observe the time variations of the currents, the heat and the salt transports along
the continental slope and across the ridge,
- determine the atmospheric forcing On sea ice under different large scale
atmospheric flow conditions
- provide information on the thickness and surface morphology of sea ice in
various regions of the Arctic Ocean.
In addition to these ACSYS related topics measurements were carried out to study
the sea ice biota, to describe the lateral distribution of phytoplankton and
zooplankton and to identify the governing chemical processes in the water columns
of different circulation branches. For these purposes measurements were made
from the ship, with the aid of helicopters and from ice floes with a series of
Instruments some of which have been newly developed. The physical and chemical
data will, among others, serve to test and to improve present and future ocean, sea
ice and climate models.
On POLARSTERN 43 Crew, 1 ßussia ice pilot and 53 scientists and technicians
from Germany (29), Sweden (7), ßussi (6), USA (5), Canada (3), Finland (I),
Ireland (1) and the United Kingdom (1) participated in the cruise. The
measurements were carried out by multinational subgroups and the processing and
scientific analysis of the data will also be done jointly by members of the
participating institutions in the near future. The cooperation between the ODEN and
the POLARSTERN during the expedition was mainly restricted to logistic matters.
During two rendezvous at sea personnel, scientific gear and fuel were exchanged.
Daily radio conferences were held for mutual Information on the current activities on
both ships as well as on weather and ice conditions.
POLARSTERN departed from Bremerhaven on Friday, 12 July 1996 and she
arrived after a smooth voyage on 19 July in Murmansk, ßussiaH ere 7 Russian and
1 Finish scientists and 2 ice pilots embarked. Local representatives visited the ship
during the afternoon of the Same day in the framework of a cocktail reception.
POLARSTERN left port again on 20 July for the Kara Sea. When she had passed
the Russian territoral waters she met a small tanker at sea to top up her fuel tanks in
final preparation for the long voyage into the ice covered Arctic Ocean. The pack ice
was encountered on 23 July at about 78ON in the Barents Sea half a day before the
first rendezvous with the Swedish partnership ODEN. During this meeting 1
scientist and 1 ice pilot as well as some Instruments were transferred from
POLARSTERN to ODEN and the Russian observer who was in charge for both
ships moved to POLARSTERN to stay there for the next 3 weeks.
Figure 1: Cruise track of RV POLARSTERN during ARCTIC '96
The two ships separated on 24 July when POLARSTERN commenced the first
hydrographic section across the St. Anna and Voronin Troughs as shown in Fig. 1
and ODEN continued her northward course towards the Lomonosov Ridge.
Hydrographie vertical profiles were measured with the aid of a CTD (conductivity,
temperature, depth) sonde, rosette water samplers and occasionally an acoustic
doppler current profiler (ADCP). The dense hydrographic network on all transects
included at various stations also biological net hauls, measurements on ice floes
and atmospheric turbulente investigations. For the latter a new vertically pointing
mast with acoustic anemometers and thermometers was attached to the bow crane.
Furthermore, a sophisticated device, the HELIPOD which was suspended at a 15 m
long cable below a helicopter to measure turbulent fluxes along specific flight tracks
at various heights.
On the way from Franz Joseph Land to Severnaya Zemlya the ship's motion was
increasingly slown down towards the east by highly concentrated and partly
compressed sea ice. Finally POLARSTERN had to make a 30 nm side step to the
north to be able to finalyse the full section across both troughs on 1 August 1996.
On the eastern side of the transect the first meteorological automatic surface buoy
was deployed on an ice floe. At about 82ON 1 90° POLARSTERN set course first
towards north to Cross the continental slope and afterwards to the northeast for a